Przełom w bioelektronice. Naukowcy stworzyli sztuczny neuron, który działa jak prawdziwy
Naukowcy z University of Massachusetts (UMass) Amherst stworzyli sztuczny neuron, który z niespotykaną dotąd dokładnością naśladuje swój biologiczny odpowiednik.
Urządzenie nie tylko reaguje na sygnały elektryczne i chemiczne, ale dorównuje prawdziwym neuronom pod względem rozmiaru, zużycia energii i siły sygnału. Odkrycie, opublikowane w prestiżowym czasopiśmie „Nature Communications”, może zrewolucjonizować medycynę i sposób, w jaki technologia integruje się z biologią.
Tym, co wyróżnia nowe urządzenie, jest jego niezwykła energooszczędność, która była dotąd największym wyzwaniem w tej dziedzinie. „Poprzednie wersje sztucznych neuronów zużywały 100 razy więcej mocy niż ten, który stworzyliśmy” – powiedział dr Jun Yao, współautor badania. Nowy neuron działa przy napięciu zaledwie 0,1 wolta, co jest wartością porównywalną z komórkami nerwowymi w ludzkim ciele. Dla porównania, uruchomienie dużych modeli językowych, takich jak ChatGPT, wymaga ogromnych ilości energii elektrycznej.
Sercem sztucznego neuronu jest zaawansowany memrystor (rezystor z pamięcią) zbudowany z białkowych nanoprzewodów produkowanych przez mikrob Geobacter sulfurreducens. Ten biologiczny materiał pozwolił drastycznie obniżyć napięcie potrzebne do działania urządzenia. Naukowcy zintegrowali go z prostym obwodem, aby odtworzyć wszystkie fazy aktywności neuronu: od powolnego gromadzenia ładunku, przez gwałtowny impuls, aż po powrót do stanu spoczynku. Co więcej, wyposażyli go w czujniki chemiczne zdolne do wykrywania jonów i neuroprzekaźników, takich jak dopamina, co pozwala mu reagować na zmiany w otoczeniu.
Aby udowodnić skuteczność swojego wynalazku, badacze przeprowadzili przełomowy eksperyment. Połączyli sztuczny neuron z żywymi, bijącymi komórkami ludzkiego serca (kardiomiocytami). Urządzenie było w stanie w czasie rzeczywistym odczytywać sygnały biologiczne i wykrywać zmiany w aktywności komórek po podaniu im leku – noradrenaliny. To kluczowy krok w kierunku bezpośredniej integracji zaawansowanej elektroniki z żywą tkanką, bez potrzeby stosowania energochłonnych wzmacniaczy sygnału.
Chociaż jest to wczesny prototyp testowany w warunkach laboratoryjnych, odkrycie otwiera drzwi do rewolucyjnych zastosowań. W przyszłości takie neurony mogą pomóc w naprawie uszkodzonych obwodów nerwowych w mózgu, udoskonalić interfejsy mózg-maszyna (BMI) czy służyć jako ultra-czułe biosensory monitorujące stan zdrowia komórek. Ich niska energochłonność może również stać się podstawą do budowy znacznie wydajniejszych komputerów inspirowanych działaniem ludzkiego mózgu.
